DE3029124C2

DE3029124C2 - Plasmaätzvorrichtung

Info

Publication number: DE3029124C2
Application number: DE3029124A
Authority: DE
Inventors: Kunio Hachioji Tokyo Harada; Shinya Tama Tokyo Iida; Norio Kodaira Tokyo Kanai; Hideo Tokyo Komatsu; Tatsumi Kokubunji Tokyo Mizutani
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3029124A1; US4352974A; NL8004101A; JPS5623745A; GB2055329B; GB2055329A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ätzvorrichtung zur Ätzung von Oberflächen eines Werkstückes mittels eines Gasentladungsplasmas nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. so

Solche Ätzvorrichtungen sind bereits bekannt (»Solid State Technology«, Heft 4, 1978, Seiten 117 bis 121), wobei dort das Ätzgas zentral durch die Elektrode eingeführt wird, auf der die zu ätzenden Substrate aufliegen. Das Ätzgas strömt nach außen und wird von zwei Absaugrohren, die am Boden der bekannten Ätzkammer angeordnet sind, abgeleitet. Dort tritt infolge der Tatsache, daß das Absaugen des Ätzgases an zwei Punkten erfolgt, eine ungleichmäßige Strömung innerhalb der Ätekammer auf. Diese ungleichmäßige Strömung hat eine räumlich ungleichmäßig verteilte Ätzgeschwindigkeit zur Folge, so daß die auf den Elektroden aufliegenden Substrate nicht alle gleichmäßig schnell geätzt werden.

Bei einer weiteren, in der DE-OS 27 30 156 beschriebenen Ätzvorrichtung wird das Ätzgas nicht zentral durch eine der Elektroden zugeführt, sondern die die Elektroden durchsetzende Leitung ist die Absaugleitung, Das zugeführte Gas strömt zunächst an den Wänden des Rezipienten entlang und kann dadurch von diesen Wänden Verunreinigungen aufnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ätzvorrichtung der eingangs angegebenen Art so weiterzuentwickeln und auszugestalten, daß das zugeführte Ätzgas nicht Verunreinigungen aufnehmen kann und daß eine für alle behandelten Substrate gleichförmige Ätzgeschwindigkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung teilweise im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines bekannten Plasmaätzers,

Fig.2, 3 und 5 schematische Ansichten von Ausführungsformen der beschriebenen Ätzvorrichtung, und

Fig.4 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsteileinsatzes zur Verwendung bei einer Ausführungsform der beschriebenen Ätzvorrichtung.

In letzter Zeit wurde, um mit den hohen Packungsdichten integrierter Halbleiterschaltungen fertig zu werden, die Entwicklung der Feinmusterzeichnungstechnologie, welche eine Hochfrequenzglimmentladung verwendet, stark vorangetrieben. Dieses Verfahren besteht darin, daß ein halogenhaltiges Gas niedrigen Drucks in eine Vakuumkammer eingeführt wird, ein Hochfrequenzfeld angelegt wird, um das Niederdruckgas in ein Plasma zu verwandeln, und die Oberfläche einer Probe durch aktive Ionen oder Radikale im erzeugten Plasma geätzt und bearbeitet wird. Man nennt dies »trockenes Ätzen«.

Verglichen mit dem herkömmlichen nassen Ätzen, das eine Flüssigkeit verwendet, hat dieses Verfahren den Vorteil, daß sich feine Muster mit hoher Genauigkeit zeichnen lassen, während es den Nachteil hat, daß die Gleichmäßigkeit der Ätzung oft unzureichend ist Für dw Ungleichmäßigkeit der Ätzung kommen verschiedene Faktoren in Betracht, etwa eine Ungleichmäßigkeit des Hochfrequenzfelds, eine Ungleichmäßigkeit des Gasstroms und eine Ungleichmäßigkeit der Konzentrationen von Ätzreaktionsprodukten.

Es hat sich nun gezeigt, daß in Fällen, wo, wie bei einem bekannten Plasmaätzer, ein Gasauslaß direkt mit der Ätzkammer verbunden ist, der zu diesem Auslaß gehende Gasstrom ungleichförmig wird, so daß die Verteilung der Ätzgeschwindigkeit besonders ungleichförmig wird.

Eine schemätische Ansicht eines Beispiels eines bekannten Geräts, bei welchem der Auslaß direkt in dieser Weise mit der Ätzkammer verbunden ist, ist in F i g. 1 gezeigt. Der in F i g. 1 gezeigte Apparat ist ein sogenannter Parallelplattendioden-Plasmaätzer, der zwei Plattenelektroden 1 und 2 in einer Ätzkammer 6

enthält, Auf die Hoe der Elektroden, 2, wird zur Erzeugung eines Plasmas in der Ätzkammer 6 mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 5 eine Hochfrequenzspannung gegeben. Ein in ein Plasma zu verwandelndes Gas wird durch den in der einen Seitenwand der Ätzkammer vorgesehenen Gaseinlaß ein- und durch einen in der anderen Seitenwand vorgesehenen Gasauslaß 4 abgeführt.

Unter Verwendung dieses bekannten Geräts wurde die Verteilung der Ätzgeschwindigkeiten auf der ι ο Elektrode 2 für den Fall untersucht, daß eine auf der Elektrode 2 angeordnete Al-Probe mit einem Durchmesser von 35 cm durch Einführen von BCb-Gas in die Ätzkammer 6 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 ml/min 3ur Einstellung eines Druckes innerhalb der Ätzkammer 6 bei 0,20 mb (0,15 Torr) und nachfolgendes Anlegen einer Hochfrequenzspannung zur Erzeugung eines Plasmas geätzt wurde. Das Ergebnis war, daß die Ätzgeschwindigkeit von Aluminium über die Elektrode ungleichmäßig war und daß die Ungleichmäßigkeit besonders auffällig im Bereich des Gasauslasses war. Die Ungleichmäßigkeit betrug etwa ±10%.

Bei der anmeldungsgemäßen Ätzvorrichtung werden die Oberflächen von Werkstücken mit einem Gasentladungsplasma geätzt, das in einer mit mehreren Elektroden versehenen Ätzkammer erzeugt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen Gaseinlaß, der zum Einführen eines Gases in die Ätzkammer dient, ein Verbindungsteil, das isotrop außerhalb des Außenrandes der Elektrode, auf der die Werkstücke anzubringen sind, angeordnet ist und durch das das Gas strömen kann, eine isotrop ausgebildete Unterkammer, die mit der Ätzkammer über da* Verbindungsteil in Verbindung steht und eine auspichende Kapazität sowie ein Strömungsleitvermög*H hat, das größer als dasjenige des Verbindungsteils ist, und einen Gasauslaß, der in der Unterkammer vorgesehen ist.

Mit der beschriebenen Ätzvorrichtung wird die Gleichmäßigkeit der Atzgeschwindigkeit stark verbessert, weil der Gasstrom gleichmäßig verläuft Dazu ist der Gaseinlaß zentral ^lh der Oberseite oder im Boden der Ätzkammer vorgesehen, insbesondere zentral in der Wand, die der Elektrode gegenüberliegt, auf der die Werkstücke angeordnet sind. Weiter ist die beschriebene Ätzvorrichtung so aufgebaut, daß das Gas über die ringartige Unterkammntfr abgeht.

Das Verbindungsteil und die Unt.erkammer müssen isotrop sein. Das heißt, daß sie bei Betrachtung von der Achse der Ätzkammer her kontinuierlich bzw. in gleichwinkeligen Intervallen ohne Änderung ihres >o Abstands von der Mittelachse in Abhängigkeit von der Richtung vorliegen. Auch soll bei Betrachtung von der Mittelachse her die Gestalt in Abhängigkeit von der Richtung nicht unterschiedlich sein.

Damit der Gasstrom isotrop gemacht werden kann, muß die Unterkammer eine ausreichende Größe haben. Es ist wünschenswert, daß das Verhältnis zwischen Kapazität der Unterkammer und Kapazität der Ätzkammer wenigstens 0,2 beträgt, wobei ein Verhältnis von wenigstens 03 stärker bevorzugt ist. Wenn dieses Verhältnis unter 0,2 liegt, wird die Ungleichförmigkeit der Ätzgeschwindigkeiten merklich, wobei der Grad der Ungleichförmigkeit ungünstigerweise ungefähr ±7% erreicht. Eine besondere Obergrenze für die Größe der Unterkainmer ist nicht gegeben. Wenn jedoch die Unterkammer sehr groß ausgebildet wird, steigt der Preis, wr.hrend der Effekt in die Sättigung eeht. Es empfiehlt sich daher, das Verhältnis nach oben auf ungefähr 1 zu begrenzen.

Das Gas strömt aus der Ätzkammer ober das Verbindungsteil in die Unterkammer und von dort in den Gasauslaß, Daher bleibt, außer wenn das Strämungsleitvermögen der Unterkammer, d. h. der Kehrwert ihres Strömungswiderstands gegen einen Gasfluß, größer als das Strömungsleitvermögen des Verbindungsteils ist, ungünstigerweise ein Einfluß des Gasauslasses auf den Gasstrom innerhalb der Ätzkammer bestehen. Das Leitvermögen der Unterkammer wird daher größer als dasjenige des Verbindungsteils gemacht Als grobes Ziel ist es ausreichend, daß die Querschnittsfläche des im Bereich des Verbindungsteils liegenden und im zugekehrten Teil der Unterkammer wenigstens dreimal, vorzugsweise wenigstens fünfmal, so groß wie die Querschnittsfläche des Verbindungsteils ist Die Form der Unterkammer muß bei Blick von der Mittelachse der Ätzkammer her isotrop sein, wobei aber eine übermäßig flache Form ungünstig ist Eine flache Unterkammer hat bei gleichem Fassungsvermögen sperrige Abmessungen und außerdem steigt ihr Strömungswiderstand. Wenn die Unterkammer so geformt ist, daß die Breite in radialer Richtung und die Höhe ungefähr gleich werden, ergibt sich kein besonderes Problem. Es ist zulässig, daß die eine im Maximum ungefähr fünfmal größer als die andere ist

Bei liar beschriebenen Ätzvorrichtung strömt das Gas vom Außenrand der Elektrode, auf der die Werkstücke angeordnet sind, im wesentlichen isotrop ab. Bei Verwendung eines bekannten Geräts mit dem in F i g. 1 gezeigten Aufbau ist der Gasdruck im Bereich des Gasauslasses niedrig, weshalb das Gas in der Ätzkammer ungleichförmig zu diesem Auslaß an eine Stelle strömt Im Gegensatz dazu ist bei dem beschriebenen Gerät das Auftreten eines ungleichförmigen Gasstromes verhindert Dementsprechend besteht das Ziel, warum die Unterkammer vorgesehen ist, darin, zu verhindern, daß der Gasdruck im Bereich des Gasauslasses niedriger als in anderen Teilen der Ätzkammer wird, und so ein isotropes Abgehen des Gases aus der Ätzkammer zu erreichen.

Ausführungsform 1

Wie in F i g. 2 dargestellt, wurde bei einem Parallelplattendioden-Plasmaätzer, welcher zwei scheibenförmige Elektroden 14 und 18 in einer Ätzkammer 10 enthielt, eine ringförmige Unterkammer 11 am unteren Ende der zylindrischen Ätzkammer 10 angeordnet und ferner ein zu einer Vakuumpumpe führender Gasauslaß 12 an einer Stelle der Seite der Unterkammer 11 angeschlossen. Das Fassungsvermögen der Ätzkammer 10 wurde zu 301 gewählt, das Verhältnis von Fassungsvermögen der Unterkammer 11 zu Fassungsvermögen der Ätzkammer 10 zu 03· Durch einen Gasoiniaß 13, der in einem oberen Teil der Ätzkammer 10 vorgesehen war, zugeführtes Gas strömte radial und isotrop über die Elektrode 14, von dort durch einen die Elektrode 14 umgebenden engen Ringspalt (Verbindungsteil) 15 in die Unterkammer 11 und weiter zum Gasauslaß 12. Die Breite des Spalts 15 wurde zu ungefähr 1,5 cm, die Höhe zu ungefähr 5 cm gewählt, und Breite sowie Höhe der Unterkammer 11 wurden zu ungefähr 8 cm gewählt.

Si-Proben 17 mit auf ihren Oberflächen aufgedampftem Al wurden auf der Elektrode 14 des in obiger Weise aufgebauten Ätzer"; angeordnet und die Ätzkammer evakuiert. Danach wurde BCl₃-GaS durch den Gaseinlaß mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 ml/min.

berechnet bei Normaldruck, eingeführt, um den Druck in der Ätzkammer bei 0,20 mb (0,15Torr) zu halten. Ferner wurde zur Erzeugung eines Plasmas aus dem BCI3 in der Ätzkammer eine Hochfrequenzleistung von 250 W bei 13,56MHz von einer Hochfrequenzspan- > nungsquelle 16 auf die Elektrode 14 gegeben. Die Ätzung des Al erfolgte durch das erzeugte Plasma. Die Ätzgeschwindigkeiten waren dabei äußerst gleichmäßig über den gesamten Elektrodenbereich und betrugen 120nm/min ± 3% oder weniger. Bei Verwendung des bekannten Ätzers mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau beträgt, wie oben ausgeführt, die Ungleichförmigkeit der Ätzgeschwindigkeiten ungefähr ± 10%. Verglichen mit diesem Wert ist das Ergebnis hinsichtlich der Gleichmäßigkeit bei der vorliegenden Ausführungsform 1 > deutlich verbessert.

Ausführungsform 2

Bei einer Ätzvorrichtung, die den gleichen Aufbau hatte wie das in Aiivführungsform I beschriebene Gerät. -'» wurde, wie in F i g. 3 gezeigt, die Hochfrequenzleistung an die entgegengesetzte Elektrode wie in F i g. 2 gelegt. Auch in diesem Fall ergab sich der gleiche Effekt wie bei Ausführungsform 1.

Ausführungsform 3

Bei dem in den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebenen Gerät wurde eine Verbindungsteileinspann- bzw. -einsetzvorrichtung 21 gemäß Fig. 4. in welcher eine große Anzahl von Löchern 22 gleichen Strömungsleitvermögens vorgesehen waren, in dem sich von der Ätzkammer zur Unterkammer erstreckenden Spalt (15 in den Fig. 2 und 3) angeordnet. Die Breite des ringförmigen Verbindungsteileinsatzes 21 wurde zu 1,5 cm, der Durchmesser der Löcher 22 zu I cm gewählt. Es wird angenommen, daß sich der Gasstrom in der Ätzkammer durch diesen Einsatz noch isotroper machen läßt. Bei Durchführung des gleichen Experiments wie bei Ausführungsform 1 mit diesem Gerät, ließ sich wie bei Ausführungsform I eine gute Gleichförmigkeit der Ätzung erreichen.

Ausführungsform 4

In die Ätzvorrichtungen der Ausführungsformen 1 bis 3 wurde CCU-Gas oder BCb-Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 bis 50 ml/min eingeführt und der Druck in der Ätzkammer bei 0.07 bis 0.13 mb (0,05 bis 0,1 Torr) gehal::n, bei welchem Druck das Gas in ein Plasma verwandelt wurde. Mit diesem Plasma wurde eine Ätzung von Si durchgeführt. Auch in diesem Fall ergab sich, wie bei den Ätzungen von Al in den Ausführungsformen 1 bis 3. eine gute Gleichförmigkeit der Ätzung.

Aiisfiihningsform 5

Das gleiche Experiment wie in Ausführungsform 1 wurde unter Verwendung des gleichen Geräts wie es in Ausführungsform 1 beschrieben ist. durchgeführt, nur daß eine ringförmige Unterkammer 31 an der seitlichen Außenfläche des unteren Teils einer zylindrischen Ätzkammer 30, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist, angeordnet war. Auch in diesem Fall war die Gleichmäßigkeit der Ätzung der Werkstücke, wie in Ausfüti.-ungsform !,gut.

In Fig. 5 bezeichnet 32 einen Gasauslaß, 33 einen Gaseinlaß, 34 eine scheibenförmige Elektrode mit darauf angeordneten Proben 37,35 ein Verbindungsteil. 36 eine Hochfrequenzspannungsquelle und 38 eine scheibenförmige Elektrode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Ätzvorrichtung zur Ätzung von Oberflächen eines Werk-^ckes mittels eines Gasentladungsplasmas, mit einer Ätzkaromer (1°» ³⁰)< 'ⁿ der einander gegenüber liegend zwei flache Elektroden (1,2; 14, 18; 34,38) angeordnet sind, wobei die Ätzsubstrate (17, 37) auf einer dieser Elektroden (14, 34) angeordnet sind, mit einem Gaseinlaß (13, 33), der eine erste dieser Elektroden (13,33) im wesentlichen ι ο zentralsymmetrisch durchsetzt, und mit einem Absaugdurchlaß (15,35) für das Ätzgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Absaugdurchlaß (15, 35) ringartig außerhalb der Peripherie der Elektroden (14, 18, 34, 38) angeordnet ist und mit einer Unterkammer (11, 31) in Verbindung steht, deren Strömungsleitvermögen größer ist als das des Absaugdurchlasses (15,35).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzkammer (10,30) zylinderförmig ist und der Absaugdurchlaß (15, 35) ein entlang der Außenwand am Boden- und/oder der Decke der Absaugkammer angeordneter Ring (21) ist, der mit parallel zur Ringachse verlaufenden Durchbrechungen (22) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Fassungsvermögen der Unterkammer (11, 31) und dem Fassungsvermögen der Ätzkammer (10, 30) wenigstens 0,2 beträgt

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß. das Verhältnis zwischen dem Fassungsvermögen der Unterkammer (11,31) und dem Fassungsvermögen der Ätzkammer (10, 30) wenigstens 03 beixägt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zw'jchen einer Schnittfläche eines dem Absaugdurchlaß (15,35) zugekehrten Teils der Unterkammer (11, 31) und einer Schnittfläche des Absaugdurchlasses (15,35) wenigstens 3 beträgt

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen einer Schnittfläche eines dem Absaugdurchlaß (15,35) zugekehrten Teils der Unterkammer (11, 31) und einer Schnittfläche des Absaugdurchlasses (15,35) wenigstens 5 beträgt

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzkammer (10,30) zylinderförmig ist und daß die Unterkammer (31) über den Absaugdurchlaß (35) isotrop an die Ätzkammer an einer Seitenwand derselben angeschlossen ist.